近日，我所分子反應動力學國家重點實驗室張東輝院士團隊揭示了造成OH + HCl → H2O + Cl反應低溫強非Arrhenius行為的共振誘導量子隧穿的本質機理。

在經典圖像中，一個化學反應只有在碰撞能量高于勢壘的情況下才會發生，反應速率對溫度的依賴關系遵循Arrhenius公式。而在量子圖像中，化學反應可以通過量子隧穿在低于反應勢壘的能量下發生，導致反應速率在低溫偏離Arrhenius行為。

OH + HCl → H2O + Cl反應因為釋放氯原子，能催化平流層中的臭氧破壞反應，是南極洲臭氧空洞形成的原因，所以在大氣化學中非常重要。實驗測量的這個反應的速率常數在低溫區域大大偏離了Arrhenius極限，并且在250K以下反應速率基本與溫度無關。另外，實驗還發現這個反應具有較大的H/D動力學同位素效應。所有這些現象都說明反應中存在重要的量子隧穿效應，然而造成量子隧穿的本質機理還是未知的。

本工作中，張東輝團隊在新構建的精確基本不變量神經網絡(FI-NN)勢能面上對這個反應進行了詳盡的含時量子波包計算，得到的熱速率常數和實驗結果吻合的很好。團隊通過對散射波函數的分析發現，由于OH和HCl之間較強的氫鍵相互作用，OH + HCl反應在入口通道的彎曲/扭轉激發振動絕熱勢阱中存在許多Feshbach共振態。這些共振態極大地誘導了氫原子通過反應勢壘的量子隧穿效應，增強了低碰撞能區域的反應性，使得反應速率在低溫表現出實驗觀察到的偏離Arrhenius行為。

過去十幾年中，張東輝團隊致力于探測化學反應中的共振，通過與實驗的密切合作，他們在F+H2/HD/H2O/HOD反應中揭示了捕獲在勢壘之后區域HF振動激發絕熱勢阱中的Feshbach共振。而OH+HCl反應是第一次在入口區域發現Feshbach共振，這與之前研究過的其他大氣過程都不相同。

相關研究成果以“Strong Non-Arrhenius Behavior at Low Temperatures in the OH + HCl → H2O + Cl Reaction Due to Resonance Induced Quantum Tunneling” 為題，于近日發表在《化學科學》(Chemical Science)上。該工作的共同第一作者是我所1113組徐昕副研究員和中國科學院福建物質結構研究所陳俊研究員。英國皇家化學會化學世界網站(Chemistry World)以“Quantum Tunnelling Enhances Ozone Decay”為題對該工作進行了亮點報道。該工作得到了國家自然科學基金的支持。